CN112496859A - 一种液体静压导轨综合性能的动态测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体静压导轨综合性能的动态测量装置及方法，该装置包括设于工作台上的加载单元及测量单元，加载单元可对液体静压导轨进行加载，模拟其实际工作过程中的加工状态；测量单元包括用于对液体静压导轨的位移变化量进行检测的位移测量组件以及两个光栅尺，其中一个光栅尺用于反馈和控制液体静压导轨的位置，另一个光栅尺用于测量液体静压导轨的位置和速度。该方法基于装置实施，可对动态液体静压导轨进行定位精度、运动平稳性、水平及垂直方向的运动直线度和对应方向静刚度的动态测量。本发明不仅方便对液体静压导轨进行拆装更换，普适性较强，而且能够统一进行相应指标的动态测量，既可缩短测量周期，又能提高测量结果的参考价值。

Description

一种液体静压导轨综合性能的动态测量装置及方法

技术领域

本发明涉及超精密机床关键功能部件综合性能测试技术领域，具体而言，涉及一种液体静压导轨综合性能的动态测量装置及方法。

背景技术

液体静压导轨作为超精密机床的重要功能部件，其具有刚性大、重复精度好、运行平稳的特点，主要应用于精密和超精密机床的进给运动和低速运动。液体静压导轨综合性能包含直线度、定位精度、刚度、温升、速度稳定性、振动等性能指标，其中，直线度、定位精度等指标是影响超精密机床工件加工质量的关键因素；速度稳定性直接表征液体静压导轨的运动状态，是判断低速下有无爬行现象的重要指标；静刚度是体现液体静压导轨承载能力的重要技术参数。

而国内各厂家对液体静压导轨综合性能的上述几种关键指标采用分开单个测量的方式，没有在一台装置或一台设备上进行，导致测量周期过长，且多采用静态测量的方式进行，导致测量结果不够精确且误差较大，参考价值不高。

申请号为201910417880.5的中国发明专利公开了一种液体静压导轨稳态性能实时测量装置及方法，该专利主要是实现液体静压导轨的直线运动误差、俯仰姿态、油腔压力、油膜温度的实时准确测量，但实现该目的需要在测试的液体静压导轨上加工并安装相应的测试组件、测试模块以及便于测试件进行测试的通道或孔，其只能对专用的极有限类型的液体静压导轨进行测量，从而导致整个装置的普适性极差。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种液体静压导轨综合性能的动态测量装置，该装置通过外设加载单元和测量单元的方式，几乎没有对被测液体静压导轨本身的结构进行加工或改造，仅通过与外部接触或连接的方式模拟液体静压导轨实际工况下的受载状态，来达到对其工况下进行关键性能指标测量的目的，不仅方便对液体静压导轨进行拆装更换，普适性较强，而且能够在该装置下统一进行相应指标的动态测量，既可缩短测量周期，又能提高测量结果的参考价值；

本发明的第二个目的在于提供一种液体静压导轨综合性能的动态测量方法，该方法基于上述装置实施，不仅能够在同一测量作业中完成相应关键指标的测量，而且通过动态下测得的结果，尤其是液体静压导轨的运动平稳性，具有更高的参考价值。

本发明的实施例是这样实现的：一种液体静压导轨综合性能的动态测量装置，包括工作台、加载单元及测量单元，工作台设置有供液体静压导轨安装的安装部；加载单元包括支撑架以及安装在支撑架上的加载组件，支撑架可滑动地安装在工作台上，且支撑架的滑动方向与液体静压导轨的溜板的滑动方向一致；支撑架具有可与溜板相连的连接部，加载组件可对液体静压导轨进行加载；测量单元包括位移测量组件和两个光栅尺，位移测量组件包括由多个位移传感器组成的位移传感器组，位移传感器组通过支架安装于溜板，并用于对溜板的位移变化量进行检测，两个光栅尺分设于液体静压导轨的导轨两侧，且每根光栅尺均沿溜板的滑动方向布置，其中一个光栅尺用于反馈和控制液体静压导轨的位置，另一个光栅尺用于测量液体静压导轨的位置和速度。

进一步地，位移测量组件还包括基准尺，基准尺沿溜板的滑动方向布置于液体静压导轨的一侧，支架具有横跨于基准尺上方的延伸部，延伸部上设置位移传感器，并能通过对基准尺顶壁与侧壁的位移变化量进行检测，从而来得出溜板水平方向与垂直方向的位移变化量。

进一步地，基准尺有两组，两组基准尺对称安装于液体静压导轨两侧。

进一步地，工作台上安装有滑轨，滑轨沿溜板的滑动方向布置，支撑架具有与滑轨滑动配合的滑动部，加载组件有多组且均安装在支撑架上，多组加载组件包括沿水平方向对溜板或支架进行加载的水平加载组件，以及沿竖直方向对溜板或支架进行加载的垂直加载组件。

进一步地，水平加载组件和垂直加载组件均包括直线驱动机构、力传感器和加载头，力传感器安装在直线驱动机构的输出端与加载头之间，加载头用于与溜板或支架接触。

进一步地，还包括床身单元，床身单元包括具有支撑腿的机架以及安装在机架的支撑腿底部的隔振组件，工作台设置在机架上。

进一步地，测量单元还包括由多个液体压力传感器组成的液体压力传感器组，液体压力传感器用于对液体静压导轨内的油膜的受振位移变化量进行检测；液体压力传感器组中，部分液体压力传感器设置于溜板，部分液体压力传感器设置于导轨。

进一步地，测量单元还包括温度传感器，温度传感器设置于导轨并能对液体静压导轨内的油膜温度变化量进行检测，温度传感器的检测端设置有导热硅胶。

一种采用上述测量装置进行液体静压导轨综合性能的动态测量方法，包括以下步骤：

驱动液体静压导轨做往复直线运动，通过其中一个光栅尺反馈和控制液体静压导轨的位置，通过另一个光栅尺测量液体静压导轨的位置和速度，以实现液体静压导轨的定位精度和运动平稳性的动态测量；其中，运动平稳性通过波动率、速率精度及速率平稳性三项指标进行表征；

通过位移传感器对液体静压导轨的溜板在运动过程的水平位移变化量和垂直位移变化量进行检测，以实现液体静压导轨的水平方向以及垂直方向的运动直线度的动态测量；

通过加载组件对运动过程中液体静压导轨进行加载，以实现液体静压导轨对应加载方向的静刚度的动态测量。

可选地，通过采用液体压力传感器和温度传感器对运动过程的液体静压导轨内油膜进行检测，以实现油膜的受振位移变化量和温度的动态测量。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供的动态测量装置通过在工作台上设置加载单元，加载单元可与液体静压导轨同步移动并随同对液体静压导轨进行动态加载，根据对应力传感器的测量度数能够获得液体静压导轨对应加载方向的静刚度，不需要对液体静压导轨本身进行结构的大幅改进便能达到其动态下静刚度参数测量的目的；同时，通过在液体静压导轨外部及通过支架来安装相应光栅尺和位移传感器，同样不会对液体静压导轨本身进行结构的大幅改进便能达到其动态下定位精度和运动平稳性等参数测量的目的；该测量装置的组成方式可通过外部接触与连接的方式来达到对被测液体静压导轨进行关键指标测量的目的，不仅方便对液体静压导轨进行拆装更换，普适性较强，而且能够在该装置下统一进行相应指标的动态测量，既可缩短测量周期，又能提高测量结果的参考价值；

本发明实施例提供的动态测量方法基于上述装置实施，不仅能够在同一测量作业中完成相应关键指标的测量，而且通过动态下测得的结果，尤其是液体静压导轨的运动平稳性，通过波动率、速率精度及速率平稳性三项指标进行表征，使得测量结果具有更高的参考价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的测量装置的结构示意图；

图2为图1所示测量装置的部分结构示意图；

图3为本发明实施例提供的加载单元的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的加载组件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的对油膜压力和温度进行测量的示意图；

图6为本发明实施例提供的位移传感器组的布局示意图；

图7为本发明实施例提供的对溜板进行位移变化量测量的示意图。

图标：1-床身单元；2-工作台；3-加载组件；4-测量单元；11-机架；12-隔振组件；21-台面；22-直线电机；23-基准尺；24-滑轨；25-支撑架；26-开关组；27-连接部；31-编码器；32-伺服电机；33-减速器；34-加载杆；35-力传感器；36-加载头；41-支架；42-光栅尺；43-位移传感器组；44-导轨；45-液体压力传感器组；46-温度传感器；47-导热硅胶；431-位移传感器一；432-位移传感器二；433-位移传感器三；434-位移传感器四；435-位移传感器五；436-位移传感器六；437-位移传感器七；451-液体压力传感器一；452-液体压力传感器二；453-液体压力传感器三；454-液体压力传感器四。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参阅图1和图2，本实施例提供的一种液体静压导轨综合性能的动态测量装置包括工作台2、加载单元和测量单元4，所述工作台2上设置有供液体静压导轨安装的安装部，即表示待测液体静压导轨可通过安装到该安装部上来实现与工作台2的稳定连接，安装部可以凸起的平台形式或者凹陷的槽孔形式，也可以就采用工作台2的台面21作为该安装部，本实施例中的安装部采用槽孔形式，在工作台2的(大理石)台面21中心线位置处加工一矩形的凹槽，该凹槽不仅可用于提供液体静压导轨的安装空间，将液体静压导轨进行位置的硬限位，提高实验的安全性，而且能够提供油液收集与回收的空间，提高后续清理工作的便捷性。整个工作台2可置于实验室内的任意平台上，但为了保证实验外部环境的平稳性和便捷操作性，在本实施例中，该测量装置还包括床身单元1，床身单元1包括具有支撑腿的机架11以及安装在机架11的支撑腿底部的隔振组件12，将工作台2的台面21设置在机架11上，箱型结构形式的机架11可方便操作人员从四周的角度进行实验操作，便捷性较高，隔振组件12采用成熟的减震支脚形式，能够减缓实验中产生的振动幅度。

为了对安装于凹槽中的液体静压导轨进行相应参数测量，本实施例提供的技术方案尽量以外部检测的方式进行，不仅不会对液体静压导轨本身的结构进行较大改动，导致出现普适性较差的缺点，而且方便对液体静压导轨进行拆装，增加了类似系列实验的便捷操作性。具体地，所述加载单元包括支撑架25以及安装在支撑架25上的加载组件3，所述支撑架25可滑动地安装在工作台2上，且该支撑架25的滑动方向与液体静压导轨的溜板的滑动方向一致，同时该支撑架25具有可与待测液体静压导轨的溜板相连的连接部27，即表示支撑架25能够经连接部27的连接作用并跟随溜板同步移动来达到后续动态测量的目的，使测量结果更趋于真实状态下而得出，更有参考价值。当然，连接部可以是杆状、块状或板状，此处采用杆状形式，其具有可与溜板浮动连接的特点，所述浮动连接是指两者之间非纯刚性连接，能够具有一定的缓冲性与相对位置变化性，可通过在两者连接处增加缓冲物实现，从而可减小两者在同步移动相互之间的干扰性。所述加载组件3可对液体静压导轨尤其是溜板部分进行加载，从而来测量溜板及液体静压导轨对应加载方向的静刚度值。此外，连接部27与溜板之间采用可拆卸连接的方式如螺接、扣接、活动插接或铆接等，通过改变连接部27与溜板之间的连接位置，以便于对溜板不同位置处进行加载实验。

对液体静压导轨对应加载方向的静刚度值测量主要是指对液体静压导轨在运动时水平方向和垂直方向上的静刚度进行测量，具体地，所述工作台2上安装有滑轨24，滑轨24沿溜板的滑动方向布置，支撑架25具有与滑轨24滑动配合的滑动部，该滑动部主要是指滑块或滑座，支撑架25能够通过其滑动部滑动安装在滑轨24上，并跟随溜板一起滑动，当然，可以将支撑架25或溜板作为主动件，即表示驱动任一者滑动，另一者跟随滑动，此处主要以溜板作为主要件，在液体静压导轨内集成直线电机22，能够实时控制液体静压导轨的溜板进行往复运动，从而使支撑架25及加载组件3跟随移动并能实现动态加载即可，可在液体静压导轨的导轨44侧壁上安装开关组26，不仅包括可用于对液体静压导轨的运动位置进行限位的限位开关，还包括对液体静压导轨位置信息进行反馈的光电开关。加载组件3可以产生0-5000N范围内的模拟切削力，并且可以产生0-80Hz的振动频率，波形为正弦波、三角波、方波、梯形波可调，在相当程度上模拟了液体静压导轨在实际工作过程中的加工状态。当然，加载组件3可设置多组，多组加载组件3均安装在支撑架25上，多组加载组件3包括沿水平方向对溜板进行加载的水平加载组件，以及沿竖直方向对溜板进行加载的垂直加载组件，此处的加载组件能够对溜板施加载荷，且对溜板进行加载可以是对溜板本身如其侧壁进行载荷施加，也可以是对固定集成在溜板上的其余部件进行载荷施加，均能达到动态施载的目的即可，以便于后续测量出较为准确和精确的静刚度值。

请参阅图3和图4，在本实施例中，支撑架25采用龙门架形式，其两个端部均与工作台滑动连接，即表示滑轨24有两组，两组滑轨24对称分布，支撑架25的两端部分别与两组滑轨24滑动连接。在支撑架25的两个端侧竖梁上安装水平加载组件，在支撑架25的中部横梁上安装垂直加载组件，三组加载组件3即能够达到对溜板顶壁和不同侧壁的静刚度测量目的(分别测量)。当然，水平加载组件和所述垂直加载组件优选为结构相同的形式，仅安装位置不同而已，具体地，水平加载组件和垂直加载组件均包括直线驱动机构、力传感器35和加载头36，力传感器35安装在直线驱动机构的输出端与加载头36之间，加载头36用于与溜板接触，当然，加载头36采用柔性球头的形式，可降低加载力的波动范围，同时降低加载面损伤并保证较好的加载效果。所述直线驱动机构可以是伸缩缸形式，可以是电机驱动齿轮齿条的形式，也可以是电机驱动丝杆组件的形式，还可以是电机驱动连杆组的形式，此处为了达到精度要求，采用电机驱动丝杆组件的形式，具体地，所述直线驱动机构包括编码器31以及顺次连接的伺服电机32、减速器33和加载杆34，编码器31用于对伺服电机32进行控制，从而经减速器33来达到加载杆34高精度伸缩的目的，最终带动加载头36作用或离开溜板，通过力传感器35反馈加载力值并辅以后续位移变化量的测量结果来计算静刚度值。

所述测量单元4包括位移测量组件和两个光栅尺42，两个光栅尺42分设于液体静压导轨的导轨44两侧，优选为可拆卸地方式对称安装于导轨44的两侧壁上，且每根光栅尺42均沿溜板的滑动方向布置，其中一个光栅尺42用于反馈和控制液体静压导轨的位置，另一个光栅尺42用于测量液体静压导轨的位置和速度。两个高精度的光栅尺42实时反馈液体静压导轨的位置和速度信息，实现液体静压导轨亚微米级定位精度检测及运动平稳性测量。所述位移测量组件包括由多个位移传感器组成的位移传感器组43，该位移传感器组43通过支架41安装在溜板上，并用于对溜板的位移变化量进行检测，当然，支架41与溜板之间通过紧固件如螺栓、螺钉或铆钉等进行固定连接，支架41的形状与溜板的形状相似，可通过对溜板进行相应参数的测量转移到该支架41上即能够达到同样的测量目的，即上述加载头36以及位移传感器组43均可通过对支架41进行加载和测量，其结果与直接对溜板进行测量的结果相同，即满足了上述对固定集成在溜板上的其余部件同样能进行测量的描述。

通过位移传感器组43对溜板直接或间接在运动状态进行测量的变化值，再辅以上述反馈加载力值的测量结果，即可通过相应公式计算液体静压导轨在水平方向和垂直方向上的静刚度值。此外，为了对溜板的振动特性进行测量，也可通过在支架41上集成振动传感器来达到相应参数测量的目的。通过上述不同侧的加载组件3、位移传感器组43和振动传感器的设置可模拟液体静压导轨实际切削工况的切削力大小范围和振动频率范围进行力和力矩的加载，能够满足不同系列液体静压导轨在不同加载方式下综合性能测试的需求，从而为液体静压导轨提供可靠性和精度保持性测量的条件。

由于对移动状态下的溜板或支架41进行位移变化量的测量难度相对较高，需要通过设置一定参照来达到高精度测量的目的，请参阅图6和图7，所述位移测量组件还包括基准尺23，该基准尺23沿溜板的滑动方向布置于液体静压导轨的一侧，所述支架41具有横跨于基准尺23上方的延伸部，该延伸部上设置多个上述的位移传感器，并能通过对基准尺23的顶壁与侧壁的相对位移变化量进行检测，从而来得出支架31水平方向与垂直方向的位移变化量，即也得到了溜板水平方向与垂直方向的位移变化量。当然，为了适应两侧具有水平加载组件的形式，所述基准尺23设置两组，两组基准尺23对称安装于液体静压导轨两侧，也意味着所述延伸部有两个，两个延伸部上均安装有多个位移传感器，能够对不同侧的基准尺23的顶壁和侧壁之间的相对位移变化量进行检测。所述位移传感器采用非接触式高精度位移传感器，在本实施例中，位移传感器组43包括7个位移传感器，即位移传感器一431、位移传感器二432、位移传感器三433、位移传感器四434、位移传感器五435、位移传感器六436和位移传感器七437，该七个位移传感器分布位置如图6所示，通过测量分别来计算相应参数，具体计算过程在后续方法描述中展开，其中，位移传感器一431、位移传感器二432和位移传感器三433垂直于基准尺23的顶壁表面，位移传感器四434、位移传感器五435、位移传感器六436和位移传感器七437垂直于基准尺23侧壁表面。

为了对液体静压导轨其余重要参数进行动态的实时测量，请参阅图5，所述测量单元4还包括温度传感器46以及由多个液体压力传感器组成的液体压力传感器组45，所述温度传感器46内置在导轨44相应的检测孔内，并能对液体静压导轨内的油膜温度变化量进行检测，当然，温度传感器46优选为两组，分别预埋于导轨44左右侧壁的检测孔内，可对不同侧油膜进行检测。此外，温度传感器46的检测端设置有导热硅胶47，可避免对油膜表面进行破坏，也提高了测量的有效性。所述液体压力传感器用于对液体静压导轨内的油膜的受振(受力振动)位移变化量进行检测，所述液体压力传感器组45中，部分液体压力传感器设置在溜板的相应检测孔内，部分液体压力传感器设置在导轨44的相应检测孔内，分别从不同方向对油膜的不同侧进行测量，在本实施例中，所述液体压力传感器组45包括液体压力传感器一451、液体压力传感器二452、液体压力传感器三453和液体压力传感器四454，其中，液体压力传感器一451和液体压力传感器二452预埋于溜板中，液体压力传感器三453和液体压力传感器四454预埋于导轨两侧中。

综上所述，能够通过本实施例提供的测量装置中即同一装置中，不仅可实现液体静压导轨的重要参数如直线度、定位精度、速度稳定性和静刚度等的动态测量，还能实现其他关键的参数如振动特性、油膜温度和受力变化量等的动态测量，解决了分开测量造成的测量周期长，测量过程繁杂的问题，具有测量效率高、测量成本低且被测元件拆装方便的优点，而且可模拟液体静压导轨实际工况下的载荷谱，实现动态力和力矩的加载，能够满足不同系列液体静压导轨在不同加载方式下综合性能测试的需求。

本实施例还提供了一种液体静压导轨综合性能的动态测量方法，该方法基于上述测量装置实现，其主要包括以下步骤：

S1(测量前准备)：实验环境温度应保持在20℃±1℃之内，并将装置组装或装配完毕，再将相应的装置和检具在实验环境下放置足够长的时间(不少于12h)，以确保检验前达到稳定状态；

S2(运动平稳性测量)：测量实验开始，需要待测驱动液体静压导轨做往复直线运动，通过其中一个光栅尺42反馈和控制液体静压导轨的位置，通过另一个光栅尺42测量液体静压导轨的位置和速度，以实现液体静压导轨的定位精度和运动平稳性的动态测量，其中，运动平稳性通过波动率、速率精度及速率平稳性三项指标进行表征，液体静压导轨的运动平稳性测量的具体步骤如下：

直线电机22带动液体静压导轨做往复直线运动，导轨44左右两侧安装的一个光栅尺42用于反馈和控制液体静压导轨的位置，另一个光栅尺42用于测量液体静压导轨的位置和速度，其中，依据实际位置监测数据，按照GB/T 17421.2-2016来实现液体静压导轨的位置精度检测。

针对运动平稳性，设置测量时间间隔为T，根据设定名义速度v，选择采样频率f。沿正、负向分别进行至少3次测量。按时间间隔读取相应光栅尺42反馈的液体静压导轨实际位置增量，连续测量不少于10次，得到l₁,...,l₁₀。轴线运动速率由位置增量与时间的比计算：

其中，Δl为定间间隔；T为走过定距间隔所需的时间，而该运动平稳性以波动率、速率精度及速率平稳性系数三项指标来表征：

(1)波动率

速率波动的绝对值的最大值占平均速度的百分比，速率波动越小，运行越平稳，反之，运行越不平稳。推荐波动率Δv≤20％时，原则上可认为运行平稳性较好。

(2)速率精度

速度均值和名义速度差值的绝对值与名义速度的比值，速率精度是指实际速率的准确性，即运动实际速度与理论值的一致性，以多次测量的最大值计。推荐速率精度U_v≤0.1时，原则上可认为运行平稳性较好。

其中，v为给定速率的名义值；

为实际速度的平均值；U_v为速率精度。

(3)速率平稳性系数

速率平稳性是指直线运动实际速率的精确性，即速率对其平均值的偏离程度。以多次测量的最大值计。推荐速率稳定性系数δ_v≤0.1时，原则上可认为运行平稳性较好。

其中，N为测量次数；v_i为第i次测量的速度；δ_v为速率稳定性系数；

S3(定位精度测量)：通过相应位移传感器对液体静压导轨的溜板在运动过程的水平位移变化量和垂直位移变化量进行检测，以实现液体静压导轨的水平方向以及垂直方向的运动直线度的动态测量，其具体过程为：

(1)利用位移传感器一431、位移传感器二432测量数据偏差计算液体静压导轨滚转角；

(2)利用位移传感器二432、位移传感器三433测量数据偏差计算液体静压导轨俯仰角；

(3)利用位移传感器四434、位移传感器五435或位移传感器六436、位移传感器七437测量数据偏差计算液体静压导轨偏摆角；

(4)利用位移传感器一431、位移传感器二432和位移传感器三433测量数据偏差计算液体静压导轨垂直方向直线度。依据三点定面原理，根据传感器的测量值及各测点间的距离，计算出液体精度导轨垂直面的跳动值，采用最小二乘法拟合曲线，计算出垂直方向的运动直线度。

(5)同步骤(4)相同，利用位移传感器四434、位移传感器五435、位移传感器六436、位移传感器七437测量数据偏差计算液体静压导轨水平方向直线度，计算方法如下：

以位移传感器四434、位移传感器五435差值绘制第一条误差曲线1，曲线1上各点值为：

Δx_1i＝x′_5i-x′_4i

以位移传感器六436、位移传感器七437差值绘制第二条误差曲线2，曲线2上各点值为：

Δx_2i＝x′_7i-x′_6i

曲线1与曲线2相减即为基准测量面与液体静压导轨直线度偏差曲线3，各测量点为：

曲线1减曲线3或曲线2减曲线3为被测液体静压导轨的直线度曲线，用最小二乘法拟合求解水平直线度值。

上述计算过程为液体静压导轨的定位精度和运动平稳性的计算过程，由于目前的液体静压导轨参数测量中，对速度稳定性即运动平稳性的研究较少，通过提出了采用波动率、速率精度及速率平稳性系数三项指标表征运动平稳性的方法能够使得测量结果更加精确并更具有参考价值。其中，采用三点定面原理进行垂直方向直线度测量值计算，均化测量误差，提高测量精度；此外，采用对置的两对位移传感器进行水平方向直线度测量，去除液体静压导轨与基准面间安装误差，提高了测量精度；

S4：针对静刚度计算，通过加载组件3对运动过程中液体静压导轨进行加载，以实现液体静压导轨对应加载方向的静刚度的动态测量，其具体步骤为：

(1)支撑架25顶部的加载组件3对液体静压导轨垂直方向进行加载，力传感器反馈加载值；位移传感器一431、位移传感器二432和位移传感器三433平均值为垂直方向液体静压导轨变形量，通过加载值和变形量，进行液体静压导轨垂直静刚度计算。数据处理方法如下：

在负载作用下的位移取相同负载时各测点三次位移的平均值，定义为d_Ai、d_Bi、d_Ci。

虑到导轨可能产生的偏转，定义d_i为消除了偏转后的位移：

静刚度值k_g为：

其中：

n为每次加载的加载步数。

(2)支撑架25左侧的加载组件3对液体静压导轨左侧水平方向进行加载，力传感器反馈加载值。位移传感器四434和位移传感器五435平均值为左侧水平方向液体静压导轨变形量，通过加载值和变形量，同理计算出液体静压导轨左侧水平静刚度。

(3)支撑架25右侧的加载组件3对液体静压导轨左侧水平方向进行加载，力传感器反馈加载值。位移传感器六436、位移传感器七437平均值为左侧水平方向液体静压导轨变形量，通过加载值和变形量，计算出液体静压导轨右侧水平静刚度。

此外，本实施例的动态测量方法还能针对液体静压导轨其余重要参数如油膜相关参数的测量，可通过采用相应液体压力传感器和温度传感器46对运动过程的液体静压导轨内油膜进行检测，以实现油膜的受振位移变化量和温度的动态测量，其具体过程为：

(1)液体压力传感器一451、液体压力传感器二452测量值为油膜垂直方向的位移变化量；

(2)液体压力传感器三453、液体压力传感器四454测量为油膜水平方向的位移变化量；

(3)液体静压导轨从最低速起到最高速度进行空运转试验，其中包含低、中、高速在内的不少于10种速度的运行试验，各种速度的运行时间不少于2min，最高速运行时间不少于1h，使导轨达到稳定温度。温度传感器测量值即为油膜温度。

以时间(T)为横坐标，温度(t)为纵坐标，将间隔一定时间测得的温度和室温画成变化曲线图，使每小时温度上升2℃的斜率线与轴承温度变化曲线相切。该切点定为液体静压导轨达到稳定温度时的温度值(t₁)，此值减去同一时间测得的室温值(t₀)，即为稳定温度时的温升值(t₂)。

综上所述，本实施例提供的测量方法能实现液体静压导轨直线度、定位精度、速度、振动、垂直刚度、水平刚度、温度等综合性能指标的动态在线测量，解决了分开测量造成测量耗时多、测量过程繁杂等问题，具有测量效率高、结构简单、安装方便等优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应当注意，在附图中所图示的结构或部件不一定按比例绘制，同时本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述，以避免不必要地限制本发明。

Claims (10)

1.一种液体静压导轨综合性能的动态测量装置，其特征在于，包括：

工作台，所述工作台设置有供液体静压导轨安装的安装部；

加载单元，所述加载单元包括支撑架以及安装在所述支撑架上的加载组件，所述支撑架可滑动地安装在所述工作台上，且所述支撑架的滑动方向与所述液体静压导轨的溜板的滑动方向一致；所述支撑架具有可与所述溜板相连的连接部，所述加载组件可对所述液体静压导轨进行加载；

测量单元，所述测量单元包括位移测量组件和两个光栅尺，所述位移测量组件包括由多个位移传感器组成的位移传感器组，所述位移传感器组通过支架安装于所述溜板，并用于对所述溜板的位移变化量进行检测，两个所述光栅尺分设于所述液体静压导轨的导轨两侧，且每根所述光栅尺均沿所述溜板的滑动方向布置，其中一个所述光栅尺用于反馈和控制所述液体静压导轨的位置，另一个所述光栅尺用于测量所述液体静压导轨的位置和速度。

2.根据权利要求1所述的液体静压导轨综合性能的动态测量装置，其特征在于，所述位移测量组件还包括基准尺，所述基准尺沿所述溜板的滑动方向布置于所述液体静压导轨的一侧，所述支架具有横跨于所述基准尺上方的延伸部，所述延伸部上设置所述位移传感器，并能通过对所述基准尺顶壁与侧壁的位移变化量进行检测，从而来得出所述溜板水平方向与垂直方向的位移变化量。

3.根据权利要求2所述的液体静压导轨综合性能的动态测量装置，其特征在于，所述基准尺有两组，两组所述基准尺对称安装于所述液体静压导轨两侧。

4.根据权利要求1所述的液体静压导轨综合性能的动态测量装置，其特征在于，所述工作台上安装有滑轨，所述滑轨沿所述溜板的滑动方向布置，所述支撑架具有与所述滑轨滑动配合的滑动部，所述加载组件有多组且均安装在所述支撑架上，多组所述加载组件包括沿水平方向对所述溜板或所述支架进行加载的水平加载组件，以及沿竖直方向对所述溜板或所述支架进行加载的垂直加载组件。

5.根据权利要求4所述的液体静压导轨综合性能的动态测量装置，其特征在于，所述水平加载组件和所述垂直加载组件均包括直线驱动机构、力传感器和加载头，所述力传感器安装在所述直线驱动机构的输出端与所述加载头之间，所述加载头用于与所述溜板或所述支架接触。

6.根据权利要求1所述的液体静压导轨综合性能的动态测量装置，其特征在于，还包括床身单元，所述床身单元包括具有支撑腿的机架以及安装在所述机架的支撑腿底部的隔振组件，所述工作台设置在所述机架上。

7.根据权利要求1所述的液体静压导轨综合性能的动态测量装置，其特征在于，所述测量单元还包括由多个液体压力传感器组成的液体压力传感器组，所述液体压力传感器用于对所述液体静压导轨内的油膜的受振位移变化量进行检测；所述液体压力传感器组中，部分所述液体压力传感器设置于所述溜板，部分所述液体压力传感器设置于所述导轨。

8.根据权利要求1或7所述的液体静压导轨综合性能的动态测量装置，其特征在于，所述测量单元还包括温度传感器，所述温度传感器设置于所述导轨并能对所述液体静压导轨内的油膜温度变化量进行检测，所述温度传感器的检测端设置有导热硅胶。

9.一种采用权利要求1～7中任一项所述的测量装置进行液体静压导轨综合性能的动态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

驱动液体静压导轨做往复直线运动，通过其中一个光栅尺反馈和控制液体静压导轨的位置，通过另一个光栅尺测量液体静压导轨的位置和速度，以实现液体静压导轨的定位精度和运动平稳性的动态测量；其中，运动平稳性通过波动率、速率精度及速率平稳性三项指标进行表征；

通过位移传感器对液体静压导轨的溜板在运动过程的水平位移变化量和垂直位移变化量进行检测，以实现液体静压导轨的水平方向以及垂直方向的运动直线度的动态测量；

通过加载组件对运动过程中液体静压导轨进行加载，以实现液体静压导轨对应加载方向的静刚度的动态测量。

10.根据权利要求9所述的液体静压导轨综合性能的动态测量装置，其特征在于，通过采用液体压力传感器和温度传感器对运动过程的液体静压导轨内油膜进行检测，以实现油膜的受振位移变化量和温度的动态测量。

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